JP4239106B2 - 位相差式超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を利用して流量測定を行う超音波流量計に関するものである。

従来、超音波流量計として、伝搬時間差式を採用したものが良く知られている。
この伝搬時間差式の超音波流量計は、管路を流れる流体内にパルス的な超音波を伝搬させて、上流から下流への超音波伝搬速度と、下流から上流への超音波の伝搬速度との差から流路を流れる流体の速度を求め、これに基づいて、管路を流れる流体の流量を計測するものである。
しかしながら、このような伝搬時間差式を採用した超音波流量計は、応答性が悪いため、電磁弁開閉時などの過渡的な流量変化を計測できないという問題があった。
このような応答性の問題を解消した超音波流量計として、例えば、特許３０４５６７７号（特許文献１）に示されるものがある。

上記特許文献１に開示されている超音波流量計は、位相差式を採用したものであり、具体的には、以下のような構成により、流体の流量を計測する。
全長に亘って同径をなす直管に、直管の外形よりわずかに径の大きい円環状の３つの振動子を所定の間隔で配置する。そして、これら３個の振動子のうちの中央の振動子から正弦波の超音波を連続的に発生させ、その超音波を前後に位置する２個の振動子によって検出し、前側の振動子が検出した超音波の位相と、後側の振動子が検出した超音波の位相との差を求め、この位相差に基づいて管路を流れる流体の流量を計測する。
特許３０４５６７７号（第２−３頁、第１−３図及び第７図）

一般的に、下記の（１）に示すように、位相差Φは、周波数ｆ（Ｈｚ）、流速ｖ（ｍ／ｓ）、発振器受信器間の距離Ｌ（ｍ）に比例し、音速ｃ（ｍ／ｓ）の二乗に反比例するという相関関係を有する。
Φ＝４πｆｖＬ／ｃ^２ （１）
位相差式を採用する超音波流量計では、位相差Φを０から２πの範囲内に制限することが前提となるため、この範囲に位相差Φを収めるように、周波数ｆ及び発信機受信器の距離Ｌを設定する必要がある。

しかしながら、上記特許文献１に開示されている超音波流量計では、超音波の送受信に直管の外形よりわずかに径の大きい円環状の３つの振動子を用いるため、直管内に平面波を伝搬させるためには波長λ＝ｃ／ｆを直管径Ｄの約１．２倍以上に設定することが必要となる。
従って、配管の直径が決められたときに使用できる超音波の波長（周波数）が制約され、流体の流量を有効に計測できる範囲が制限されるという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、波長などに制約を受けることなく、幅広い流量のレンジに適用させることができる位相差式超音波流量計を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、２組の伝搬管と、これら伝搬管を直列に接続する接続管とを備え、各伝搬管が、略直線状の直管部の両端に、略Ｌ字状の屈曲管部を備えるとともに、前記屈曲管部の管壁に、前記直管部を軸方向に挟んで対向配置される１対の超音波発振器と超音波受信器とを備え、一の伝搬管の超音波発振器及び超音波受信器と他の伝搬管の超音波発振器及び超音波受信器とが、伝搬管内を流れる流体の流れの方向に対して逆の位置関係に配置されている位相差式超音波流量計を提供する。

本発明によれば、一の伝搬管の超音波発振器及び超音波受信器と他の伝搬管の超音波発振器及び超音波受信器とが、伝搬管内を流れる流体の流れの方向に対して逆の位置関係に配置されているので、伝搬管内に流体が流れていれば、一の超音波受信器が受信する超音波と、他の超音波受信器が受信する超音波との間には、流体の速さに比例した位相のずれが生ずることとなる。この位相のずれを検出することにより、流体の速さ、並びに流体の流量を計測することが可能となる。
そして、本発明では、２組の伝搬管において、一対の超音波発振器及び超音波受信器が、共に、直管部を軸方向に挟んで対向配置されているので、配管の直径により、波長（周波数）の制約を受けることなく、測定したい流量範囲に合わせて最大流量時の位相ずれが２πとなるように周波数を自由に選定することが可能となる。

上記記載の位相差式超音波流量計は、前記接続管が湾曲した配管であることが好ましい。
このように、接続管を湾曲した配管で構成することにより、接続管を流れる流体を伝搬する超音波を効果的に減衰させることが可能となるので、一の伝搬管が備える超音波発振器から発振された超音波が、他の伝搬管が備える超音波受信器により受信されてしまうクロストークを低減させることが可能となる。これにより、測定精度を向上させることができる。

上記記載の位相差式超音波流量計は、前記接続管が柔軟な材質で構成されていることが好ましい。
このように、接続管が柔軟な材質で構成されているので、接続管の管壁を伝搬する超音波を効果的に減衰させることが可能となるので、クロストークを低減させることが可能となる。これにより、測定精度を向上させることができる。

上記記載の位相差式超音波流量計は、超音波発振器及び前記超音波受信器が配置されている管壁面及びその内壁面が、前記直管部の管軸に対して直交するように、平坦に形成され、前記超音波発振器及び前記超音波受信器が、前記管壁面に平行に配置されていることが好ましい。

このように、超音波発振器及び超音波受信器が配置されている管壁面及びその内壁面を直管部の管軸に対して直交するように、平坦に形成し、このように形成された管壁面に超音波発振器及び超音波受信器を平行に配置させるので、平面波に近い超音波を受信器に向かって発振させることが可能となり、干渉の少ない超音波を超音波受信器に受信させることができる。これにより、測定精度を向上させることができる。

上記記載の位相差式超音波流量計は、前記超音波発振器から発振される超音波の周波数が、測定したい流量範囲に合わせて、段階的に切替わる又は連続的に変化することが好ましい。
このように、測定したい流量範囲に合わせて、超音波発振器から発せられる超音波の周波数を段階的に切り替え又は連続的に可変な構成とするので、微小な流量を測定する場合であっても、周波数を上げることによって検出感度を高めることができ、微小流量でも精度良く測定することができる。上記超音波発振器から発振される超音波の周波数を変更するには、例えば、超音波発振器、超音波受信器、伝搬管、及び略Ｌ字状の屈曲管部などの構成はそのままで、超音波発振器に印加する電気信号の周波数を変更すれば良い。

本発明の位相差式超音波流量計によれば、波長などに制約を受けずに、目的とする流量のレンジに合わせて、好適な波長を自由に選定することができるので、幅広い流量のレンジに適用させることが可能となる。

以下、本発明に係る位相差式超音波流量計の実施形態について、〔第１の実施形態〕、〔第２の実施形態〕の順に図面を参照して詳細に説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は、本実施形態に係る位相差式超音波流量計の構成を示した図である。
図１に示すように、本実施形態に係る位相差式超音波流量計は、２組の伝搬管１、２と、これら伝搬管１、２を直列に接続する接続管３とを備えている。
伝搬管１は、略直線状の直管部１３の両端に、９０°屈曲されたＬ字状の屈曲管部１４、１５を備えている。この屈曲管部１４、１５の管壁には、直管部１３を軸方向に挟んで、１対の超音波発振器１１及び超音波受信器１２が対向配置されている。
同様に、伝搬管２は、略直線状の直管部２３の両端に、例えば、９０°屈曲されたＬ字状の屈曲管部２４、２５を備えている。この屈曲管部２４、２５の管壁には、直管部２３を軸方向に挟んで、１対の超音波発振器２１及び超音波受信器２２が対向配置されている。
上記構成からなる位相差式超音波流量計において、流体は、例えば、図中ＡからＢに向かって流れる。

伝搬管１において、超音波発振器１１は流体の流れの下流側に配置され、超音波受信器１２は、流体の流れの上流側に配置されている。一方、伝搬管２において、超音波発振器２１は、流体の流れの上流側に配置され、超音波受信器２２は、流体の流れの下流側に配置されている。
このように、一の伝搬管１の超音波発振器１１及び超音波受信器１２と他の伝搬管２の超音波発振器２１及び超音波受信器２２とは、伝搬管１、２内を流れる流体の流れの方向に対して逆の位置関係に配置されている。
図２に示すように、伝搬管１において、超音波発振器１１及び超音波受信器１２が配置されている管壁面１６、１７及びその内壁面１８、１９は、例えば、直管部１３の管軸Ｃに対して直交するように、平坦に形成されている。そして、このように形成された管壁面１６、１７に、超音波発振器１１及び超音波受信器１２がそれぞれ平行に配置されている。
また、伝搬管２の管壁面なども同様に形成されている。

上記構成からなる位相差式超音波流量計により流体の流量を測定する場合には、まず、伝搬管１、２が備える超音波発振器１１、２１から連続的な正弦波状の超音波を発振させる。超音波発振器１１により発振された正弦波状の超音波は、流体の下流から上流に向けて伝搬し、超音波受信器１２によって受信される。
他方、伝搬管２が備える超音波発振器２１により発振された正弦波状の超音波は、流体の上流から下流に向けて伝搬し、超音波受信器２２によって受信される。

この場合において、超音波発振器１１、２１及び超音波受信器１２、２２が配置されている管壁面及びその内壁面、並びに、超音波発振器１１、２１及び超音波受信器１２、２２は、図２に示したように、形成、配置されているので、各超音波発振器１１、２１から発振され、流体内を伝搬する超音波は、平面波に近い波形となる。これにより、干渉の少ない電波が各超音波受信器１２、２２に受信される。

各超音波受信器１２、２２は、受信した正弦波状の超音波を電気信号に変換し、出力する。各超音波受信器１２、２２から出力された検出信号は、例えば、図３に示すような測定装置へ入力され、この測定装置により、超音波受信器１２、２２により受信された超音波の位相差が検出される。これにより、この位相差から流体の速度と流量を算出することが可能となる。

例えば、測定装置は、図３に示すように、ゼロクロスコンパレータ４１、４２、ＲＳフリップフロップ４３、及びローパスフィルタ４４を備えて構成される。
超音波受信器１２の検出信号Ｓ１は、ゼロクロスコンパレータ４１に入力され、超音波受信器２２の検出信号Ｓ２は、ゼロクロスコンパレータ４２に入力される。ゼロクロスコンパレータ４１、４２は、正弦波状である検出信号Ｓ１、Ｓ２をそれぞれ二値化して出力する。
ゼロクロスコンパレータ４１、４２の出力信号は、ＲＳフリップフロップ４３に入力される。ＲＳフリップフロップ４３は、これら入力信号の位相差に応じたデューティ比のパルス信号を出力する。この出力信号はローパスフィルタ４４により平滑化され、出力される。
このような構成によれば、出力信号として、超音波受信器１２、２２の検出信号の位相差Φに比例したアナログ電圧を得ることができるので、このアナログ電圧に基づいて、流量を得ることが可能となる。

また、測定装置は、上述の図３に示した構成に限られることなく、例えば、図４に示されるような構成を備えていてもよい。
例えば、測定装置は、図４に示すように、直交変調器５１、５２、ローパスフィルタ５３、及び演算器５４を備えて構成される。
超音波受信器１２、２２の検出信号Ｓ１、Ｓ２は、それぞれ直交変換器５１、５２に入力されることにより、それぞれ直交変調される。これにより、その周波数が低周波にビートダウンされた検出信号Ｓ１、Ｓ２がそれぞれ出力される。直交変換器５１、５２から出力された信号は、ローパスフィルタ５３により平滑化され、その後、演算器５４に入力される。
演算器５４は、アナログ信号である入力信号をＡ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換し、ディジタル信号処理を行うことにより、超音波受信器１２、２２の検出信号の位相差Φを演算により得る。
ここで、演算部により行われる演算式は、以下の（２）式の通りである。

このような構成からなる測定装置によれば、検出信号Ｓ１、Ｓ２の周波数を低周波にビートダウンさせることができるので、Ａ／Ｄ変換のサンプリング周波数を大幅に下げることが可能となる。これにより、位相差式超音波流量計の演算部を低コストで実現することができる。
また、図３及び図４に示した装置構成によれば、２組の伝搬管１、２において、超音波発振器１１、２１又は超音波受信器１２、２２の感度に差があり、超音波受信器１２、２２により検出される検出信号の振幅に差が生じる場合、或いは、検出信号振幅が時間とともに変動する場合でも、位相差を計測することが可能となる。

以上、述べてきたように、本実施形態に係る位相差式超音波流量計によれば、各伝搬管１、２が備える一対の超音波発振器１１と超音波受信器１２、並びに、一対の超音波発振器２１と超音波受信器２２とが、直管部１３、２３を軸方向に挟んでそれぞれ対向配置されているので、波長などに制約を受けることなく、目的とする流量のレンジに合わせて、好適な波長を自由に選定することが可能となる。これにより、幅広い流量のレンジに適用させることができる。
また、伝搬管１、２において、超音波発振器１１、２１及び超音波受信器１２、２２がそれぞれ配置されている管壁面及びその内壁面を、直管部１３、２３の管軸Ｃ、Ｄに対して直交するように平坦に形成し、更に、このように形成された管壁面に、超音波発振器１１、２１及び超音波受信器１２、２２をそれぞれ管壁面に平行に配置するので、平面波に近い電波を超音波発振器１１、２１から超音波受信器１２、２２に向かって発振させることが可能となる。これにより、干渉の少ない超音波を超音波受信器１２、２２に受信させることができるので、測定精度を向上させることができる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係る位相差式超音波流量計について、図５を用いて説明する。
図５に示すように、本実施形態の位相差式超音波流量計では、図１に示した位相差式超音波流量計の接続管３を柔軟な材質により形成し、更に湾曲させる。
このように、接続管３を柔軟な材質で形成することにより、接続管３の管壁を伝搬する超音波を効果的に減衰させることが可能となる。これにより、一の伝搬管１が備える超音波発振器から発振された超音波が、他の伝搬管が備える超音波受信器により受信されてしまうクロストークを低減させることが可能となる。
更に、接続管３を湾曲させることにより、接続管３を流れる流体を伝搬する超音波を効果的に減衰させることが可能となる。
本実施形態に係る位相差式超音波流量計によれば、接続管３の管壁を伝搬する超音波、及び、接続管３を流れる流体を伝搬する超音波の双方を効果的に減衰させることが可能となるので、クロストークを大幅に低減させることが可能となる。これにより、流量の計測精度を大幅に向上させることができる。

以上、本発明の一実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
第１に、図１に示した位相差式超音波流量計では、各屈曲管部１４、１５、２４、２５をそれぞれ９０°に屈曲させていたが、この屈曲角度は９０°に限られず、２つの伝搬管を直列に接続しうる角度の範囲内で、変更可能である。
第２に、伝搬管１と伝搬管２とは、接続管３により直列に接続されていればよく、その接続手法は、必ずしも図１に示すようなものに制限されない。例えば、図６に示すように、接続されていても良い。

第３に、図７に示すように、位相差式超音波流量計を構成するようにしても良い。
図７に示すように、伝搬管１、２を略Ｖ字状に接続し、この接続部位に、１つの超音波発振器１１を配置する。この超音波発振器１１は、例えば、伝搬管１、２が備える超音波受信器１２、２２のそれぞれとの距離が同等となる位置に配置する。
このような構成によれば、超音波発振器を１つ配置すればよいので、生産コストの削減を図ることができるとともに、装置を小型化させることが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る位相差式超音波流量計の構成を示す図である。 図１に示した伝搬管の縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る測定装置の一構成例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る測定装置の一構成例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る位相差式超音波流量計の構成を示す図である。 図１に示した位相差式超音波流量計の変形例を示した図である。 図１に示した位相差式超音波流量計の変形例を示した図である。

符号の説明

１、２ 伝搬管
３ 接続管
１１、２１ 超音波発振器
１２、２２ 超音波受信器
１３、２３ 直管部
１４、１５、２４、２５ 屈曲管部
１６、１７ 管壁面
１８、１９ 内壁面

Claims (5)

1. ２組の伝搬管と、これら伝搬管を直列に接続する接続管とを備え、
   各伝搬管が、略直線状の直管部の両端に、略Ｌ字状の屈曲管部を備えるとともに、前記屈曲管部の管壁に、前記直管部を軸方向に挟んで対向配置される１対の超音波発振器と超音波受信器とを備え、
   一の伝搬管の超音波発振器及び超音波受信器と他の伝搬管の超音波発振器及び超音波受信器とが、伝搬管内を流れる流体の流れの方向に対して逆の位置関係に配置されている位相差式超音波流量計。
2. 前記接続管が湾曲した配管である請求項１に記載の位相差式超音波流量計。
3. 前記接続管が柔軟な材質で構成されている請求項１又は請求項２に記載の位相差式超音波流量計。
4. 前記超音波発振器及び前記超音波受信器が配置されている管壁面及びその内壁面が、前記直管部の管軸に対して直交するように、平坦に形成され、
   前記超音波発振器及び前記超音波受信器が、前記管壁面に平行に配置されている請求項１から請求項３のいずれかの項に記載の位相差式超音波流量計。
5. 前記超音波発振器から発振される超音波の周波数が、測定したい流量範囲に合わせて、段階的に切替わる又は連続的に変化する請求項１から請求項４のいずれかの項に記載の位相差式超音波流量計。

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